Las Diferentes Tecnologías del IoT

A menudo, como diseñadores de PCB, cada día nos encontramos con nuevos retos a la hora de implantar nuevas tecnologías en nuestro PCB, ya sea a través de encapsulados cada vez más pequeños, huellas de componentes que nos llevan horas de gestión de librerías, o encapsulados BGA con tamaños de paso y bola que exigen enrutados por debajo de unos pocos milímetros.

El mundo de la electrónica de control y consumo avanza a pasos agigantados, por ello tenemos que estar a la última en la implementación de las diferentes tecnologías del Internet de las Cosas o “Internet of Things”. Pero ¿conocemos cuales son estas? ¿y qué ventajas presentan unas frente a otras? En este artículo trataremos cuales son todas ellas, y cuales son las más fáciles de implementar en nuestro diseño.

Hablemos de las diferentes tecnologías del IoT

Dentro de este pequeño mundo del uso de transferencia de pequeños paquetes de datos, nos encontramos con una mezcla de tecnologías, frecuencias de trabajo, y anchos de banda, junto con niveles de consumo, que no debemos pasar por alto a la hora de decidir el uso de unas u otras.

Vamos entonces qué posibilidades existen en el mercado.

SIGFOX®

Lo primero que debemos saber de dicha tecnología es que su frecuencia de trabajo es UNB o “Ultra Narrow-Band”, por lo que su velocidad de transferencia de datos se encuentra por debajo de 100 bits por segundo.

El canal de transmisión del espectro se sitúa por debajo de 1kHz, lo que presenta como ventaja un radio de cobertura de 20km en zonas abiertas y de 2km en entornos urbanos.

Dicha tecnología tiene un límite de mensajes diarios entre dispositivo y servidor (uplink) que se sitúa aproximadamente en 140 mensajes. Y un límite de 8 mensajes entre servidor y dispositivo (downlink).

Además, el tamaño de dicho mensaje no puede superar los 12 bytes.

Pese a que la limitación del tamaño de datos es un tanto pequeña, la mayor ventaja que presenta esta tecnología es el consumo y el “back-end” disponible por parte de Sigfox®.

Personalmente, uno de los mejores módulos de “front-end” que podemos elegir para nuestro desarrollo con tecnología Sigfox® es el Atmel® ATA8520, ya que, con una pequeña red de acoplamiento y un amplificador de RF, podemos integrar en un pequeño PCB un módulo para dicha labor.

PCB de desarrollo ATMEL® con ATA520 para comunicación Sigfox®

LoRa®

Quizás la tecnología del IoT más conocida y usada en la mayoría de los dispositivos de esta. Dicha tecnología inalámbrica, está patentada por Semtech®, quienes fabrican los integrados para el uso de esta.

La ventaja que presenta LoRa® frente al resto es su tipo de modulación llamada CSS o “Chip Spread Spectrum”, usada en comunicaciones militares, la cual presenta ventajas para comunicaciones a largas distancias y pocos inconvenientes frente a interferencias.

Presenta rangos de distancia entre 10 y 20 Km, al igual que Sigfox®, y tamaños de datos de hasta 255 bytes, con una velocidad de transferencia de entre 25 y 50 kbps.

Frente a esta tecnología, tenemos dos posibilidades de uso. La primera, es crear una red propia, adquiriendo nuestros “gateways”, lo que, por una parte, incrementa el coste. La segunda, es el uso de un operador de red, que al igual que del mismo modo que ocurre en otras tecnologías, lo que, por el contrario, nos puede limitar el uso de subida y bajada de paquetes de datos.

Para dicha tecnología, existe una gran posibilidad de módulos “front-end” siempre y cuando estos pertenezcan a la LoRa Alliance ®, por ello no haremos mucho hincapié en las distintas posibilidades que ofrecen tanto los módulos como los propios chips de Semtech ®. Sin embargo, a nivel personal, y por mi experiencia, una buena alternativa para implementar en un diseño sería el SiP (System in Package) de Microchip® ATSAMR34.

Diagrama de flujo de dispositivo LoRa® al servidor a través del Gateway.

NB IoT

NB-IoT, la apuesta tecnológica de la asociación 3GPP®, es la tecnología inalámbrica que conocemos todos como Narrow-Band. Dicha tecnología, al venir de la mano del 3GPP®, es prácticamente tecnología GSM®, de hecho, es preciso un operador y una tarjeta SIM para poder usarla. La principal ventaja que presenta esta frente a los anteriores competidores, es que se apoya en el 4G y el 5G, por tanto, es optima para entornos urbanos con alta densidad de edificios; y donde la zona de Fresnel no es tan buena, y también para espacios abiertos, donde tendremos cobertura prácticamente en cualquier lugar, siempre y cuando también exista cobertura de telefonía móvil.

A diferencia de las anteriores, en NB IoT no tenemos un tamaño de mensaje limitado, aunque no podemos superar los 100 kbps, una velocidad de transmisión de 67 kbps a través de una modulación OFDM con un ancho de banda de unos 200kHz.

Sin embargo, en esta tecnología, no disponemos de un “back-end” tan habitual como en el caso de LoRa ® o Sigfox ®.

A esta alternativa, se le puede sumar la tecnología LTE-M, siendo una propuesta más actual y uniforme, aunque de mayor consumo energético, pero que permite una velocidad de transmisión de 1 Mbps, con un ancho de banda de entorno a 1.4 MHz, con un tamaño de mensaje limitado a 384 kbps. Y que es compatible con el envío de voz. 

Desde luego, que LTE-M tiende a ser más el actual 4G que el NB-IoT, pero contamos con la ventaja de que ambas pueden coexistir.

En cuanto a módulos “front-end” para esta tecnología, mi recomendación es el uso del SiP de Nordic Semiconductor® nRF9160, cuyo módulo cuenta con la posibilidad de usar cualquiera de las dos tecnologías anteriormente detalladas, y cuenta con una fácil implementación.

Thingy:91. Kit de desarrollo de Nordic Semiconductor® que cuenta con un módulo nRF9160 compatible con NB IoT y LTE-M

Bluetooth LE, Zigbee® o WiFi.

Aunque, ya hemos hablado de las tecnologías con mayor tendencia por los usuarios frente a las comunicaciones M2M (Machine to Machine), no podemos olvidarnos de tecnologías como Bluetooth Low Energy, Zigbee® o WiFi.

Todas ellas presentan la ventaja de trabajar en la banda ISM de 2.4GHz, y aunque presentan un corto alcance comparadas con las anteriores, tienen la gran ventaja de tener grandes anchos de banda y mayores velocidades de transmisión frente a las otras, por encima de 1 Mbps hasta 2 Mbps en algunos casos.

Desde luego, tanto el Bluetooth Low Energy, como el Zigbee® o el WiFi, son las mejores alternativas para el uso del IoT en interiores, o distancias comprendidas entre los 25 m y 100 m.

La principal diferencia entre ellas es el tipo de conexión, el Bluetooth exige una conexión punto a punto, frente al Zigbee® que presenta la posibilidad de generar una red, o el WiFi que nos permite tener una conexión multipunto. 

En cuanto a módulos “front-end”, la mejor alternativa para mi, y que tiene compatibilidad tanto con la tecnología Bluetooth como con la Zigbee®, son los integrados de Nordic Semiconductor® de la familia de los nRF52.

nRF52840 Dongle. Pequeño dispostivo USB compatible con Bluetooth 5.0, red Bluetooth, protocolo Thread y Zigbee.

En el próximo artículo veremos cómo podemos realizar la integración de alguno de los módulos y tecnologías que hemos tratado en este artículo. Para ello, veremos paso a paso junto con Altium Designer®, la realización de un prototipo desde cero.

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